Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства
ББК 30 Техника и технические науки в целом
ТБК 50 Технические науки в целом
BISAC EDU000000 General
В статье рассмотрены теоретические и экспериментальные исследования процессов компактирования различных видов порошкообразных полидисперсных материалов по изучению кинематических, конструктивно-технологических и энергосиловых параметров агрегатов. Установлены основные закономерности брикетирования в пресс-валковых агрегатах и необходимость их конструктивно-технологической реализации. Представлен расчет основных энергосиловых параметров оборудования для брикетирования (усилия прессования; мощности, затрачиваемой валковым и щёковым предуплотнителями; общей мощности, затрачиваемой валковым прессом), позволяющий учитывать физико-механические характеристики и физико-химические свойства техногенных материалов. В работе приведены патентозащищенные конструкции агрегатов для брикетирования полидисперсных отходов как высокой, так и низкой насыпной плотностью. Показана необходимость предварительного уплотнения брикетируемых шихт при их формовании, что является эффективным при реализации любого процесса компактирования. Использование устройств для предварительного уплотнения материала и формующих элементов валков желобково-зубчатого и ячейкового типа позволяют получить брикеты заданной геометрической формы и размеров с учетом требований потребителя. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы не только для переработки и утилизации вторичных сырьевых материалов (полидисперсных отходов) отдельных производств, но и при выпуске различных видов товарной продукции.
компактирование, формование, брикетирование, пресс-валковый агрегат, полидисперсные отходы, предуплотнение
Введение. Утилизация полидисперсных отходов различных производств предполагает решение, как экологических вопросов, так и технологических, связанных с формованием порошкообразных материалов в спрессованные тела заданной геометрической формы и размеров (гранулы или брикеты). Для этого разработаны различные способы компактирования материалов: брикетирование, экструдирование, агломерация и другие [1-8].
Применение технологии брикетирования позволяет получать брикеты с заданными физико-механическими характеристиками и химическими свойствами, что уменьшает их потери при транспортировке, хранении, перемещении, распределении при дальнейшем использовании, переработке, а также улучшает технологические, экологические и экономические показатели их использования. Актуальность комплексной переработки полидисперсных отходов различных производств не вызывает сомнения, хотя процесс ее реализации имеет свои особенности и сложности.
Для формования сыпучих отходов с невысокими пластическими свойствами используют специальное брикетирующее оборудование, среди которого особое место занимают наиболее производительные пресс-валковые агрегаты (ПВА) [9-12]. Данные машины характеризуются простотой конструкции, необходимой эксплуатационной надежностью, высокой производительностью и небольшими удельными энергозатратами [13-18].
Материалы и методы. Пресс-валковые агрегаты эффективно используют для брикетирования полидисперсных отходов различных производств: утилизации пылеуноса сушильных и обжиговых агрегатов, золо-шлаковых отходов, отходов химических и деревообрабатывающих производств, целлюлозно-бумажных отходов, органических ТКО для получения альтернативных видов тепловой и электрической энергии и др.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования процессов компактирования различных видов порошкообразных полидисперсных материалов заключаются в использовании комплексного подхода, основу которого составляют системный, критериальный анализ и анализ размерностей; теория подобия, математическое и физическое моделирование; многофакторное планирование эксперимента, использование математической статистики, электронно-вычислительной техники и САПР; испытания стендовых, опытно-промышленных агрегатов и технологических комплексов.
Основная часть. Разработанный пресс-валковый агрегат [19] относится к оборудованию для брикетирования и изготовления спрессованных тел из сыпучих и вязко-пластичных материалов с заданными физико-механическими характеристиками и химическими свойствами: минералогическим и химическим составом, дисперсностью, плотностью, влажностью, пластичностью и др. и может быть использован в различных отраслях промышленности: строительных материалов, химической, энергетической, деревообрабатывающей, в сельскохозяйственном производстве, в дорожном строительстве и др.
Эффективное использование ПВА нашло свое применение при брикетировании полидисперсных отходов с низкой насыпной плотностью (менее 500-600 кг/м3). ПВА, оснащенный валковым и вибро-щековым уплотнителем, позволяет получать качественные брикеты с различными физико-механическими характеристиками. Для этих целей разработана серия патентозащищенных конструкций агрегатов для брикетирования полидисперсных отходов как высокой, так и низкой насыпной плотностью [20-22].
Проведенные многолетние теоретические и экспериментальные исследования процессов компактирования различных видов порошкообразных полидисперсных материалов позволили установить основные закономерности брикетирования в ПВА и необходимость их конструктивно-технологической реализации:
- предварительное уплотнение шихты (kупл.=2,5-3), особенно для материалов с низкой насыпной плотностью;
- повышение качества брикетов за счет обезвоздушивания, эффективной упаковки частиц при вибровоздействии или предварительном уплотнении материалов;
- равномерное распределение потока шихты по рабочей поверхности валков;
- обеспечение равномерного распределения напряжений по объему прессуемых тел;
- выдержка шихты под давлением для релаксации напряжений в брикетах;
- повышение качества готовой продукции и производительности агрегата за счет возврата просыпи в зону формования;
- надежный выход брикетов из желобов формующих элементов при использовании специальных устройств и др.
При изучении процесса брикетирования полидисперсных порошкообразных отходов были проведены теоретические исследования по изучению кинематических, конструктивно-технологических и энергосиловых параметров агрегатов.
Уплотнение и деформация шихты в ПВА осуществлялось посредством вращающихся навстречу друг другу прессующих валков желобково-зубчатого и ячейкового типа. В случае брикетирования шихты, обладающей выраженными пластическими свойствами (когда не требуется высокое давление формования, 
МПа) мы использовали валки ячейкового типа (рис. 1).
Rяч – радиус ячейки, м; R0 – радиус вальцов по внутреннему контуру ячеек, м; lяч – длина ячейки, м; hяч –высота ячейки, м; bяч =b – ширина ячейки, м; 
– зазор между вальцами, =(0,5
)·10-3м; rз – радиус зуба, м
При вращении вальцов ПВА навстречу друг другу брикеты испытывают максимальное давление на линии центров (рис. 2). После прохождения линии центров наблюдаются резкий спад напряжений в сформованных брикетах и их упругое расширение. За счет скольжения вдоль поверхности ячеек преодолеваются силы трения. Выход спрессованных тел из ячеек осуществляется за счет упругого расширения брикетов и их силы тяжести.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований вальцевого пресса с формующими элементами желобково-зубчатого типа получено выражение для определения усилия прессования Px, которое зависит от геометрических параметров вальцов (радиуса – R, ширины – B), зазора между ними – 
, частоты вращения nв, а также степени плотности шихты 
, запрессованной в ячейки формующих элементов:
(1)
где 
– коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона); 
– предельное давление прессования, МПа;
– параметр, учитывающий сцепление прессуемых частиц при номинальном давлении прессования, МПа;
– угол внутреннего трения, 
; 
, 
, 
, 
- физико-механические характеристики прессуемого материала, соответственно, исходная плотность, плотность в сбрикетированном состоянии, коэффициент внутреннего трения, коэффициент бокового распора; 
, 
– площадь и периметр пресс-матрицы, соответственно, м2, м; 
– исходная высота слоя шихты, м.
В виду того, что ПВА разработан для брикетирования порошкообразных полидисперсных материалов с различными физико-механическими характеристиками и физико-химическими свойствами (в т.ч. материалов с низкой насыпной плотностью), для эффективного формования возникает необходимость предварительного уплотнения шихты. Это реализовано валковым и щековым предуплотнителями, соответственно.
На рисунке 3 представлена схема валкового предуплотнителя. Мощность, затрачиваемая валковым предуплотнителем, рассчитывается следующим образом:
(2)
где 
– суммарный момент сопротивления, преодолеваемый при уплотнении шихты и перемещении бесконечной ленты, Н·м; 
– угловая скорость вращения валков, рад/с; 
– давление уплотнения исходной шихты валком, МПа; 
– коэффициент внешнего трения материала о поверхность валка; 
– ширина валка (уплотненной ленты), м; 
– длина дуги валка в зоне максимального давления уплотнения шихты, м; 
– угол максимального давления уплотнения, рад (
); 
– радиус валка, м.
Мощность, затрачиваемая щёковым предуплотнителем, рассчитывается следующим образом:
, (3)
где 
–давление уплотнения шихты в щёковом предуплотнителе, МПа; 
– ширина пластин щёкового предуплотнителя, м; 
,
– толщина уплотняемого материала в щёковом и дугообразном уплотнителе, соответственно, м; 
– угол наклона корпусов эксцентриков к вертикальной поверхности щёк (угол вибровоздействия, 
); 
, 
–плотность уплотненных слоев материала в щёковом и дугообразном уплотнителе, соответственно, кг/м3; 
– коэффициент трения уплотненного материала о поверхность щёк; 
– длина и ширина ячейки формующего элемента, соответственно, м;
– частота вращения эксцентрикового вала, об/с; 
– масса брикета, спрессованного в вальцевом прессе, кг; 
– коэффициент использования поверхности вальцов для формующих элементов ячейкового типа – 
.
Тогда мощность, затрачиваемая валковым прессом, после стадии предуплотнения:
(4)
где 
– нейтральный угол, град; 
– средний радиус валка, м; 
– результирующая сила от силы тяжести вальцов, Н; 
– радиус вальцов, м; 
– угловая скорость вращения вальцов в вальцевом прессе, рад/с;
На рисунке 5 изображен общий вид пресс-валкового агрегата с валковым и вибро-щековым предуплотнителями.
ПВА состоит из двух блоков: первый (I) содержит валковые устройства для предварительного уплотнения материала и стабилизации скоростных потоков шихты; второй блок (II) содержит вибро-щековый уплотнитель, который обеспечивает дальнейшее уплотнение полидисперсных отходов и равномерное их нагнетание в межвалковое пространство прессующих вальцов. Для дополнительного уплотнения полидисперсных отходов предусмотрены специальные нагнетательные валики. Они нагнетают уплотняемую шихту в ячейки вальцов. Под блоками (I) и (II) непосредственно установлен вальцевый пресс с желобково-зубчатыми формующими элементами (рис. 5).
Основной задачей разработок являлось получение брикетов заданной геометрической формы и размеров, которые производятся из полидисперсных отходов различных предприятий и могут быть использованы по соответствующему технологическому назначению: в нефтехимии – как брикетированные сорбенты на основе перлита для очистных сооружений; в деревообрабатывающей промышленности – как топливные брикеты; в строительной – в качестве теплоизоляционных заполнителей для теплоизоляции строительных сооружений или для производства конструкционно-теплоизоляционных изделий с добавлением фибронаполнителей и др. (рис. 6).
Выводы. Проведенные испытания подтвердили возможность брикетирования порошкообразных полидисперсных отходов и получения брикетов со следующими физико-механическими характеристиками: для теплоизоляционных заполнителей плотность брикетов составила (280÷300) кг/м3, прочность – (45÷50) Н/бр., коэффициент уплотнения шихты в ПВА – (2,0÷2,2); для фибронаполнителей: плотность брикетов (560÷590) кг/м3, прочность – (15÷20) Н/бр., коэффициент уплотнения в ПВА (3,5÷3,6).
Данное научно-практическое направление – разработка и исследование агрегатов и процесса брикетирования с использованием ПВА для формования полидисперсных материалов и отходов различных производств имеет важное значение для решения актуальных задач по комплексной переработке ТКО и получения из них конкурентоспособной товарной продукции.
Анализ результатов проведенных опытно-промышленных испытаний разработанного оборудования ПВА для комплексной переработки порошкообразных полидисперсных отходов подтверждает техническую, технологическую и экономическую целесообразность его использования.
ПВА, оснащенный валковым и вибро-щековым уплотнителем позволяет получать качественные брикеты с различными физико-механическими характеристиками.
Источник финансирования. Работа выполнена в рамках реализуемого проекта НОЦ «Инновационные решения в АПК» № 10089447 (2020-2022 гг.) научно-производственной платформы «Рациональное природопользование»
1. Кулагин Р.А., Кулагин О.Р. Результаты брикетирования мелкозернистых и мелкодисперсных отходов производства // Сб. тезисов докладов Российско-Казахстанского Симпозиума «Углехимия и экология Кузбасса». Кемерово: ООО «Фирма ПОЛИГРАФ». 2014. 48 с.
2. Назаров В.И., Макаренков Д.А., Четвертаков Г.В. и др Переработка и утилизация дисперсных материалов и твердых отходов / Учебное пособие М.: Альфа-М. 2014. 462 с.
3. Дудка С.В., Тошинский В.И. Исследование процесса гранулирования и сушки в технологии удобрений марки «СУПЕРАГРО N:P 10:40» // Восточно - Европейский журнал передовых технологий. 2012. Т.4. № 6 (58). С. 7-10.
4. Лобовиков Д.В., Ханов А.М., Матыгулина Е.В. и др.Исследование гранулирования порошковых композитов в планетарном грануляторе // Вестник ПГТУ. Пермь. 2010. Т.12. №1. С. 30-36.
5. Sevostyanov M.V., Ilyina T.N., Sevostyanov V.S., Emelyanov D.A. Metodological Principles of Agglomeration Processes Improvement in Technologies of Disperse Materials Processing // Research Journal of Applied Sciences. 9(11). Pp. 738-744. 2014.
6. Рахимов М.А., Рахимова Г.М., Иманов Е.М. Проблемы утилизации полимерных отходов // Фундаментальные исследования. 2014. № 8. С. 331-334.
7. Ильина Т. Н. Классификация дисперсных материалов и рекомендации по процессам их агломерации // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2013. (4). С. 17-19.
8. Il’ina T.N. Structural and mechanical properties of pelletized fine materials // Chemical and Petroleum Engineering, 2009. 45(3 - 4): 115-118.
9. Шинкарёв Л.И. Классификационные принципы создания агрегатов для формования природных и техногенных материалов // Сб. докл. IV Междунар. науч.- практ. конф. «Экология - образование, наука, промышленность и здоровье, Ч. I - Белгород. 2011. С. 215-220.
10. Гридчин А.М., Севостьянов В.С., Уральский А.В. Энергосберегающая техника и технологии для комплексной переработки природных и техногенных материалов // Эковестник России. 2010. №1. С. 68-79.
11. Глаголев С.Н., Севостьянов В.С., Ильина Т.Н., Уральский В.И. Технологические модули для комплексной переработки техногенных материалов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. №9. С. 43-45.
12. Бобович Б.Б., Девяткин В.В. Переработка отходов производства и потребления: справочное издание / Под ред. Б.Б. Бобовича. М.: Интермет Инжиниринг, 2000. 496 с.
13. Dec R.T. Roll press agglomeration of industrial wastes for treatment and recycle / Second International Symposium on Extraction and Processing for the Treatment and Minimization of Wastes, Proceedings in print October, 1996, Phoenix, AZ
14. Dec R.T, Komarek K.R. Experimental study of new type roll presses for granular solids / ACHEMA91, International Meeting on Chemical Engineering and Biotechnology, Frankfurt am Main.
15. Making dense briquettes from fine dust, case study at General Electric's Lighting Division //Powder and Bulk Engineering, September 1998.
16. Dec R.T. Problems with processing of fine powders in roll press // IB A Proceedings, Vol. 24, October, 1995, 24th Biennial Conference, Philadelphia.
17. Dec R.T. Theoretical and experimental study of compaction process in roll press / SME'2000 Annual Meeting and Exhibit, Salt Lake City, UT.
18. Нгуен Хыу Фук Исследование уплотнения огнеупорных пресс-порошков с введением поверхностно - активных веществ при полусухом прессовании и при вибрации большой частоты. Автореф. на соискание ученой степени к.т.н., М. 1968. 24 с.
19. Глаголев С.Н., Севостьянов В.С., Свергузова С.В., Шинкарев Л.И., Спирин М.Н., Фетисов Д.Д., Севостьянов М.В., Свергузова Ж.А. Пат. 2473421 РФ МПК В28В 3/12 Способ формования техногенных материалов и пресс-валковый агрегат для его осуществления.. Заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова; опубл. в Бюл. No 3 27.01.2013,10 с.
20. Севостьянов В.С., Барбанягрэ В.Д., Севостьянов М.В. Пат. 2133673 РФ МПК В 30 В 11/18, В 22 F 3/02 Пресс-валковый агрегат.. Заявитель и патентообладатель БелГТАСМ; опубл. в Бюл. No 21 27.07.99. 6с.
21. Севостьянов В.С., Зубаков А.П., Бондаренко В.Н., Новиков Э.В., Севостьянов М.В. Пат. 2204486 РФ 7 В 30 В 11/18, В 28 В 3/14 Вальцовый пресс для брикетирования порошкообразных материалов.. Заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова; опубл. в Бюл. No 14. 2003.
22. Sevostyanov M.V., Il'Ina T.N., Martakov I.G. Process of charge prevention with low bulk density. «International Conference on Energy System 2018». (2019) IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 552 (1), статья No 012039, DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899X/552/1/012039
